第二章 蛋白质

1、第二章第二章 蛋白质蛋白质 蛋白质的生物学意义 蛋白质的元素组成蛋白质的氨基酸组成肽蛋白质的结构蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质的性质蛋白质的分类是由许多不同的-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具有较稳定的构象并具有一定生物功能的大分子。一、蛋白质的生物学意义1. 生物体的组成成分2. 酶3. 运输4. 运动5. 抗体6. 干扰素7. 遗传信息的控制8. 细胞膜的通透性9. 高等动物的记忆、识别机构二、蛋白质的元素组成二、蛋白质的元素组成C（5055%）、H（68%）、O（2023%）、N（1518%）、 S（04%）、N的含量平均为16%凯氏（Kjadehl）定氮法的理论基础

2、三、蛋白质的氨基酸组成三、蛋白质的氨基酸组成氨基酸氨基酸 是蛋白质的基本组成单位。从细菌到人类，所有蛋白质都由20种标准氨基酸（20 standard amino acids)组成。（一）氨基酸的结构通式：19种氨基酸具有一级氨基（-NH3+）和羧基（-COOH）结合到碳原子（C），同时结合到（C）上的是H原子和各种侧链（R）；Pro具有二级氨基（-亚氨基酸）不带电形式 H2NCHCOOHR +H3NCHCOO-R两性离子形式C如是不对称C（除Gly），则：1. 具有两种立体异构体 D-型和L-型2. 具有旋光性 左旋（-）或右旋（+）（二）氨基酸的分类1. 根据根据R的化学结构的化学结构（1

3、）脂肪族氨基酸：1）疏水性：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Met、Cys；2）极性：Arg、Lys、Asp、Glu、Asn、Gln、Ser、Thr（2）芳香族氨基酸：Phe、Tyr（3）杂环氨基酸：Trp、His（4）杂环亚氨基酸：Pro2. 根据根据R的极性的极性（1）极性氨基酸：1）不带电：Ser、Thr、Asn、Gln、Tyr、Cys；2）带正电：His、Lys、Arg；3）带负电：Asp、Glu（2）非极性氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Met、Pro、Trp3.根据酸碱性质（记忆）根据酸碱性质（记忆）1 中性氨基酸：脂肪族：Gly, Ala, Val

4、, Leu, Ile芳香族：Phe, Tyr, Trp含羟基：Ser, Thr含硫： Cys, Met亚氨基酸： Pro含酰胺基：Asn, Gln2 酸性氨基酸：Asp, Glu3 碱性氨基酸：Arg, Lys, His必需氨基酸：赖，色，苯丙，甲硫，苏，缬，亮，异亮（三）氨基酸的重要理化性质1. 一般物理性质 无色晶体，熔点极高（200以上），不同味道；水中溶解度差别较大（极性和非极性），不溶于有机溶剂。2. 两性解离和等电点 氨基酸在水溶液中或在晶体状态时都以离子形式存在，在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的NH3+正离子和能接受质子的COO-负离子，为两性电解质。3. 化学性质（1）与茚

5、三酮的反应：Pro产生黄色物质，其它为蓝紫色。在570nm（蓝紫色）或440nm（黄色）定量测定（几g）。调节氨基酸溶液的pH，使氨基酸分子上的+NH3基和COO-基的解离程度完全相等时，即所带净电荷为零，此时氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（pI）。 H3NCHCOOHR+在酸性溶液中的氨基酸（pHpI）H3NCHCOO-R+在晶体状态或水溶液中的氨基酸（pH=pI）H2NCHCOO-R在碱性溶液中的氨基酸（pHpI）（当氨基酸相互连接成蛋白质时，只有其侧链基团和末端的-氨基，-羧基是可以离子化的。（2）与甲醛的反应：氨基酸的甲醛滴定法RCHCOO-NH3+RCHCOO-NH2+

6、H+OH-中和滴定HCHORCHCOO-NHCH2OHHCHORCHCOO-N(CH2OH)2（3）与2,4-二硝基氟苯(DNFB)的反应*NO2FO2N+ HNCHCOOHRNO2O2NHNCHCOOHR+ HF弱碱性DNP-氨基酸（4）与异硫氰酸苯酯（PITC）的反应*N=C=S + NCHCOOHHHRPITCNCNCHCOOHHHRSPTC-氨基酸NCHRSNCCOPTH-氨基酸pH8.3无水HF重复测定多肽链N端氨基酸排列顺序，设计出“多肽顺序自动分析仪”（5）与荧光胺反应：）与荧光胺反应：*根据荧光强度测定氨基酸含量（ng级）。激发波长x=390nm，发射波长m=475nm。（6）

7、与）与5,5-双硫基双硫基-双（双（2-硝基苯甲酸）反应硝基苯甲酸）反应：*H2NCHCH2SSHNO2HOOCSNO2COOHCOOH+SSNO2NO2HOOCCOOHH2NCHCOOH +CH2SHpH8.0硫代硝基苯甲酸硫代硝基苯甲酸测定测定Cys含量（含量（pH8.0412nm的摩尔消光系数的摩尔消光系数=13600）（7）成盐反应）成盐反应RCHCOOH + HClNH2RCHCOOH NH2HCl（8）酰基化和烃基化反应）酰基化和烃基化反应RCHCOOH + R X NH2R =酰基或烃基 RCHCOOH + HX NHRX =卤素（Cl、F）（9）成酯反应）成酯反应RCHCOOH

8、 + C2H5OHNH2RCHCOOC2H5NH2 HCl气当羧基变成乙酯后，羧基的化学性质就被掩蔽了，而氨基的化学性质就突出地显示出来。（10）酰氯化反应）酰氯化反应YNHCRHCOOH + PCl5酰化氨基酸YNHCRHCOCl酰化氨基酰氯使氨基酸的羧基活化，易于另一氨基酸的氨基结合，在合成肽的工作上常用。（11）成酰胺反应）成酰胺反应H2NCHRCOOC2H5 + HNH2体外无水H2NCHRCONH2 +C2H5OH氨基酸酰胺有机体内：Asp（Glu）+NH4+Asn（Gln）Asn（Gln）合成酶ATP（12）脱羧反应）脱羧反应H2NCHRCOOH脱羧酶CO2 + RCH2NH2胺（

9、13）迭氮反应）迭氮反应H2N-CHR-COOHYHN-CHR-COOH酰化氨基酸YHN-CHR-COOCH3酰化氨基酸甲酯NH2NH2（-CH3OH）YHNCHRCONHNH2酰化氨基酸的肼衍生物HNO2YHNCHRCON3 + 2H2O酰化氨基酸迭氮四、肽四、肽 一个氨基酸的-羧基和另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而成的化合物。 氨基酸之间脱水后形成的键称肽键（酰胺键）。 当两个氨基酸通过肽键相互连接形成二肽，在一端仍然有游离的氨基和另一端有游离的羧基，每一端连接更多的氨基酸。氨基酸能以肽键相互连接形成长的、不带支链的寡肽（25个氨基酸残基以下）和多肽（多于25个氨基酸残基）。多肽仍然有游离的

10、-氨基和-羧基。肽链写法肽链写法：游离-氨基在左，游离-羧基在右，氨基酸之间用“-”表示肽键。H2N-丝氨酸-亮氨酸-苯丙氨酸-COOHSer-Leu-Phe（S-L-F）（一）谷胱甘肽（一）谷胱甘肽（GSH）H2N-CHCH2CH2COCOOH-GluNHCHCOCH2SHCysNHCH2COOHGly2GSHGSSG（二）催产素和升压素（二）催产素和升压素 均为9肽，第3位和第9位氨基酸不同。催产素使子宫和乳腺平滑肌收缩，具有催产和促使乳腺排乳作用。升压素促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿。（三）促肾上腺皮质激素（三）促肾上腺皮质激素（ACTH） 39肽，活性部位为第410位的7肽片段

11、： Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly。（四）脑肽（四）脑肽脑啡肽具有强烈的镇痛作用（强于吗啡），不上瘾。Met-脑啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-MetLeu-脑啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-内啡肽（31肽）具有较强的吗啡样活性与镇痛作用。（五）胆囊收缩素（五）胆囊收缩素（六）胰高血糖素（六）胰高血糖素由胰岛-细胞分泌（-细胞分泌胰岛素），29肽。胰高血糖素调节 维持血糖浓度。五、五、 蛋白质的结构蛋白质的结构 蛋白质是氨基酸以肽键相互连接的线性序列。在蛋白质中，多肽链折叠形成特殊的形状（构象）（conformation）。在结构中，这种构象是原子的

12、三维排列，由氨基酸序列决定。蛋白质有四种结构层次：一级结构（primary），二级结构（secondary），三级结构（tertiary）和四级结构（quaternary）（不总是有）。（一）蛋白质的一级结构（化学结构）（一）蛋白质的一级结构（化学结构）一级结构就是蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，即氨基酸的线性序列。在基因编码的蛋白质中，这种序列是由mRNA中的核苷酸序列决定的。一级结构中包含的共价键（covalent bonds）主要指肽键（peptide bond）和二硫键（disulfide bond）HPhe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-

13、Leu-Val- Glu- Ala- Leu- Tyr Leu -Val-Cys-GlyGlu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-AlaOHB链157101519 20212530HGly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-AsnOH15102015A链711621SSSS牛胰岛素的化学结构SS蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构* * 组成蛋白质的多肽链组成蛋白质的多肽链数目数目. .* * 多肽链的氨基酸顺序多肽链的氨基酸顺序v多肽链内或链间二硫键

14、的多肽链内或链间二硫键的数目和位置。数目和位置。其中最重要的是多肽链其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。白质生物功能的基础。书写从书写从N-N-末端到末端到C-C-末端。用末端。用AAAA的的3 3字母字母缩写符号或单字母符号连续排列缩写符号或单字母符号连续排列 ( (二）蛋白质的二级结构二）蛋白质的二级结构二级结构：蛋白质主链折叠产生的，由氢键二级结构：蛋白质主链折叠产生的，由氢键维系的有规则的构象。不包括与肽链其他区维系的有规则的构象。不包括与肽链其他区段的相互关系及侧链构象。段的相互关系及侧链构象。常见的有：常见的有：-螺旋、螺旋、-折叠、折叠

15、、-转角、转角、无规卷曲无规卷曲等等 vA A多肽链的主链围绕一个多肽链的主链围绕一个“中中心轴心轴”螺旋上升，每隔螺旋上升，每隔3 3. .6 6个个aaaa上升一圈，螺距上升一圈，螺距0.54nm0.54nm，每个肽，每个肽键的键的C CO O与前面第与前面第4 4个肽键的个肽键的N-HN-H之间成氢键；之间成氢键；vB B螺圈间氢键的取向与中心轴螺圈间氢键的取向与中心轴平行，是维系平行，是维系-螺旋的主要作螺旋的主要作用力；用力；vC CR R侧链在螺旋的外侧；侧链在螺旋的外侧；vD.D. 蛋白质分子多为右手蛋白质分子多为右手 - -螺旋螺旋。1. 1. - -螺旋螺旋v - -折叠的结

16、构特征折叠的结构特征A.A.是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列为折叠片排列为折叠片，肽链的主链呈锯齿状折叠。肽链的主链呈锯齿状折叠。 B B相邻肽链上的相邻肽链上的-CO-CO-与与-NH-NH形成氢键，氢键几乎垂直于肽形成氢键，氢键几乎垂直于肽 链，维持片层间结构稳定。链，维持片层间结构稳定。C C肽链的肽链的R R侧链基团在肽平面上、下交替出现。侧链基团在肽平面上、下交替出现。3. 3. - -转角转角 -turn -turn -弯曲弯曲 发夹结构发夹结构v-转角转角是多肽主链回转是多肽主链回转180180所形成的部分，它所形成的部分，它改变肽链的

17、走向。改变肽链的走向。由四个由四个AAAA残基组成残基组成; ;v-转角转角的的第一个氨基酸残基的第一个氨基酸残基的 -C=O -C=O 和第四个和第四个残基的残基的 N-H N-H 形成氢键，形成氢键，维系维系-转角的稳定。转角的稳定。v-转角转角中中GlyGly与与ProPro出现频率高。出现频率高。 这类结构主要这类结构主要存在于球状蛋白分子中存在于球状蛋白分子中。4. 4. 无规卷曲无规卷曲（自由回转）指不能纳入（自由回转）指不能纳入明确的二级结构的多肽区段。明确的二级结构的多肽区段。角蛋白角蛋白 KeratinKeratin - -角蛋白主要由角蛋白主要由 - -螺旋构象的多肽链组成

18、。螺旋构象的多肽链组成。螺旋由二硫螺旋由二硫键交联起来，一般认为每四个螺圈有一个二硫键。键交联起来，一般认为每四个螺圈有一个二硫键。 三股右手三股右手-螺旋缠绕成原纤维，螺旋缠绕成原纤维，“9 92 2”形成电缆式结构形成电缆式结构微原纤维，成百根微原纤维结合成的纤维束微原纤维，成百根微原纤维结合成的纤维束( (大纤维大纤维=200nm)=200nm)结构。一根毛发周围是一怪鳞状细胞，中间为皮层细胞结构。一根毛发周围是一怪鳞状细胞，中间为皮层细胞(=20m(=20m），大纤维沿轴向排列。），大纤维沿轴向排列。角角蛋蛋白白的的二二硫硫键键与与烫烫发发 烫发是一项生物化学工程，烫发剂（还原烫发是一

19、项生物化学工程，烫发剂（还原剂）打开剂）打开-S-S-S-S-，固定液（氧化剂）使形成，固定液（氧化剂）使形成新的新的-S-S-S-S-（不与处理前的相同），新的二（不与处理前的相同），新的二硫交联键，使硫交联键，使-螺旋束发生扭曲。螺旋束发生扭曲。 - -角蛋白角蛋白v丝心蛋白丝心蛋白这是蚕丝和蜘蛛这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质地白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。柔软的特性，但不能拉伸。l丝蛋白丝蛋白是由伸展的肽链沿是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成纤维轴平行排列成反向反向 - -折叠折叠结构。丝蛋白的肽链结构。丝蛋白的肽链通常是由多

20、个六肽单元重通常是由多个六肽单元重复而成。复而成。由于堆积层之间是由非由于堆积层之间是由非键合的范德华力所维系，因而丝具有键合的范德华力所维系，因而丝具有很柔软的特性。很柔软的特性。l- -（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-AlaGly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n n- -( (三三) )三级结构三级结构* *肽链非几何形的进一步折叠肽链非几何形的进一步折叠 v蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是指在二级结构基础上，肽是指在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的特定构象，包括主链和侧步盘绕、折叠

21、形成的特定构象，包括主链和侧链在内链在内所有原子的空间排布，但不包括不同肽所有原子的空间排布，但不包括不同肽链间的相互关系链间的相互关系。v维系三级结构的力维系三级结构的力有氢键、二硫键、疏水作用、有氢键、二硫键、疏水作用、离子键和范德华力等。尤其是疏水作用。离子键和范德华力等。尤其是疏水作用。( (四四) )四级结构四级结构* *亚基之间的相互关系亚基之间的相互关系 v蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构( (Quaternary StructureQuaternary Structure) )：由两条或两条以上的各具有三级结构的多肽借由两条或两条以上的各具有三级结构的多肽借非共价键聚合而成的特

22、定构象称为蛋白质的四非共价键聚合而成的特定构象称为蛋白质的四级结构。级结构。v蛋白质分子中最小的共价单位通常称为蛋白质分子中最小的共价单位通常称为亚基亚基或或亚单位亚单位SubunitSubunit，一般由一条肽链构成。，一般由一条肽链构成。v维持亚基之间的化学键主要是维持亚基之间的化学键主要是疏水力疏水力。v多个亚基聚集而成的蛋白质常称为多个亚基聚集而成的蛋白质常称为寡聚蛋白寡聚蛋白。v往往这些亚基聚合成完整的构象才体现生物活往往这些亚基聚合成完整的构象才体现生物活性。性。镰刀状细胞贫血病镰刀状细胞贫血病; ;蛋白质中蛋白质中AAAA序序列在决定它的三维结构及其生物列在决定它的三维结构及其生

23、物功能。功能。 血红蛋白血红蛋白( (HbAHbA Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-His-Leu-Thr-Pro-GluGlu-Glu-Lys-Glu-Lys- -HbSHbS Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-His-Leu-Thr-Pro-ValVal-Glu-Lys-Glu-Lys- - 镰刀状细胞血红蛋白可形成纤镰刀状细胞血红蛋白可形成纤维状沉淀，在缺氧时，病人细胞维状沉淀，在缺氧时，病人细胞呈镰刀状，输氧能力下降，引起呈镰刀状，输氧能力下降，引起贫血。贫血。 蛋白质结构与功能的统一性蛋白质结构与功能的统一性了解三维结构是理解蛋白质如何行了解三维结构是理

24、解蛋白质如何行使功能的基础，而这种使功能的基础，而这种三维结构则三维结构则取决于一级结构取决于一级结构AA序列。序列。 煤气中毒的机制煤气中毒的机制v一氧化碳（一氧化碳（COCO）也能与血红素）也能与血红素FeFe原子结合。原子结合。其能力是其能力是O O2 2的的200200倍，人体吸入少量的倍，人体吸入少量的COCO即可即可完全抑制血红蛋白与完全抑制血红蛋白与O O2 2的结合，造成缺氧死的结合，造成缺氧死亡。急救法是尽快将病人转移到富含亡。急救法是尽快将病人转移到富含O O2 2的环的环境中，使与血红素结合的境中，使与血红素结合的COCO被被O O2 2置换出来。置换出来。 六、蛋白质分

25、子结构与功能的关系六、蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质分子具有多样的生物学功能，需要一定的化学结构，还需要一定的空间构象。蛋白质一级结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系1. 种属差异种属差异蛋白质一级结构的种属差异十分明显，但相同部分氨基酸对蛋白质的功能起决定作用。根据蛋白质结构上的差异，可以断定它们在亲缘关系上的远近。2.分子病分子病蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序与正常有所不同的遗传病。镰状细胞贫血（镰状细胞贫血（sick-cell anemia）从患者红细胞中鉴定出特异的镰刀型或月牙型细胞。-链 1 2 3 4 5 6 7Hb-A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-

26、LysHb-S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys Val 取代Glu含氧-HbAO2O2粘性疏水斑点含氧HbS脱氧HbS疏水位点血红蛋白分子凝集七、蛋白质的性质七、蛋白质的性质（一）蛋白质的相对分子量（一）蛋白质的相对分子量*蛋白质相对分子量在10 0001 000 000之间。测定分子量的主要方法有渗透压法、超离心法超离心法、凝胶过滤法、聚丙烯酰胺凝胶电泳等。最准确可靠的方法是超离心法超离心法（Svedberg于1940年设计）：蛋白质颗粒在2550*104 g离心力作用下从溶液中沉降下来。沉降系数（s）：单位（cm）离心场里的沉降速度。 s = v2x v =沉降速度

27、（dx/dt）=离心机转子角速度（弧度/s） x =蛋白质界面中点与转子中心的距离（cm）沉降系数的单位常用S，1S=110-13（s）蛋白质分子量（M）与沉降系数（s）的关系M = RTsD（1V）R气体常数（8.314107ergsmol -1 度-1）T绝对温度D扩散常数（蛋白质分子量很大，离心机转速很快，则忽略不计）V蛋白质的微分比容（m3g-1）溶剂密度（20，gml-1） s沉降系数（二）蛋白质的两性电离及等电点（二）蛋白质的两性电离及等电点蛋白质在其等电点偏酸溶液中带正电荷，在偏碱溶液中带负电荷，在等电点pH时为两性离子。电泳：带电颗粒在电场中移动的现象。分子大小不同的蛋白质所带净电荷密度不同，迁移率即异，在电泳时可以分开。1. 自由界面电泳：蛋白质溶于缓冲液中进行电泳。2. 区带电泳：将蛋白质溶液点在浸了缓冲液的支持物上进行电泳，不同组分形成带状区域。（1）纸上电泳：用滤纸作支持物。（2）凝胶电泳：用凝胶（淀粉、琼脂糖、聚丙烯酰胺）作支持物。1）圆盘电泳：玻璃管中进行的凝胶电泳。+ 2）平板电泳：铺有凝胶的玻板上进行的电泳。-+等电聚焦电泳：当蛋白质在其等电点时，净电荷为零，在电场中不再移动。+5.06.07.0稳定pH梯度5.06.07.0稳定pH梯度通电+（三）蛋白质的胶体性质（三）蛋白质的胶体性